[論文レビュー] Frequency-driven market mechanisms for optimal dispatch in power networks

Tjerk Stegink, Ashish Cherukuri+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2017

Electric Power System Optimization参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、リアルタイム入札と送電系統周波数ダイナミクスを統合することで、競争的な発電業者が電力生産の入札を行うと同時に最適経済的ディスpatchと周波数制御を保証する周波数駆動型連続時間市場メカニズムを提案する。ベルトラン・ゲーム枠組みにおいて局所的周波数偏差をフィードバック信号として用いることで、周波数偏差がゼロで総発電コストが最小化される効率的ナッシュ均衡への収束が理論的に保証される。

ABSTRACT

This paper studies real-time bidding mechanisms for economic dispatch and frequency regulation in electrical power networks. We consider a market administered by an independent system operator (ISO) where a group of strategic generators participate in a Bertrand game of competition. Generators bid prices at which they are willing to produce electricity. Each generator aims to maximize their profit, while the ISO seeks to minimize the total generation cost and to regulate the frequency of the system. We consider a continuous-time bidding process coupled with the swing dynamics of the network through the use of frequency as a feedback signal for the negotiation process. We analyze the stability of the resulting interconnected system, establishing frequency regulation and the convergence to a Nash equilibrium and optimal generation levels. The results are verified in the IEEE 14-bus benchmark case.

研究の動機と目的

• 周波数安定性や経済的効率を損なわずに間歇的再生可能エネルギー源を電力系統に統合する課題に対処すること。
• 従来の階層的制御の限界を克服し、リアルタイム市場清算と一次周波数制御を統合すること。
• 戦略的発電業者が動的市場において価格決定者として行動できるようにするとともに、コスト最適発電水準への収束を保証すること。
• 入札と発電制限の物理的制約（入札の非負性、発電制限など）を尊重する入札プロセスを確保すること。
• 急変するネットワーク条件下でも、相互接続システムの安定性と収束性に関する理論的保証を確立すること。

提案手法

• 発電業者が現在のISOが設定した電力水準と利益インcentiveに基づいて入札を調整する連続時間入札プロセスを定式化する。
• ISOの役割を、電力バランスと周波数制御を満たす制約のもとで支払い総額を最小化する最適化問題としてモデル化する。
• 周波数偏差をフィードバック信号として用いて、入札ダイナミクスと送電系統のスイングダイナミクスを統合する。
• 入札と発電水準の非負性制約を満たすために、投影ダイナミカルシステムを用いる。
• 補完性システムの不変性原理を適用して、効率的ナッシュ均衡への局所的収束を証明する。
• ISOがリアルタイム周波数測定値と入札情報に基づいて発電セットポイントを更新するハイブリッド制御方式を実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数フィードバックに基づく連続時間市場メカニズムは、電力ネットワークにおいて最適経済的ディスパッチと安定した周波数制御を両立できるか？
• RQ2 入札プロセスに周波数をフィードバック信号として組み込むと、収束速度と過渡応答にどのような影響を与えるか？
• RQ3 本稿で提示された発電業者間のベルトラン・ゲームが、最適電力ディスパッチに対応する効率的ナッシュ均衡に収束する条件は何か？
• RQ4 動的負荷およびコスト関数の変化が、市場駆動型ディスパッチメカニズムの安定性と収束性に与える影響は何か？
• RQ5 過渡周波数応答とシステムのロバストネスの観点から、フィードバックなし入札と比較して本手法はどのように優れるか？

主な発見

• 相互接続システムは、総発電コストが最小化され、周波数偏差がゼロとなる効率的ナッシュ均衡に収束する。
• IEEE 14バス系統を用いた数値シミュレーションでは、突然の負荷変動やコスト関数変更後でも、最適発電水準への高速収束が確認された。
• 周波数フィードバック（σ=300）を適用した場合、フィードバックなし（σ=0）と比較して過渡周波数応答が改善され、オーバーシュートと振動が低減された。
• ノード3、6、8でコスト削減が発生した後、総発電コストは1時間あたり$9711から$8540に低下し、動的条件下でのコスト効率が裏付けられた。
• 全テストシナリオにおいて、入札と発電水準が非負性制約を常に満たす形で、実行可能性と安定性が維持された。
• 投影ダイナミカルシステムの不変性原理により、局所的収束が保証され、外部乱れやモデル不確実性に対してもロバストであることが確認された。